بخشی از مقاله
چکیده
سولفید روی و سولفید سرب به عنوان دو نیمه هادی با باند انرژی م ستقیم کاربرد و سیعی در ادوات نوری و آ شکار سازهای نوری دارند. اخیرا به کاربرد این دو نیمه هادی در آشکارسازی گازها، به خصوص کاربرد آنها در حسگرهای با قابلیت کار در دمای اتاق اشاره شده است. در این مقاله برای اولین بار خواص آشکارسازی گاز، در نانوکامپوزیت ترکیبی ZnS/PbS مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد نانو حسگر ساخته شده با نانوکامپوزیت ZnS/PbS حساسیت بالایی به بخار اتانول در دمای اتاق نشان میدهد. محدوده آشکار سازی آن 500 تا 8000 ppm و بالاترینمیزان پاسخ %56 میباشد.
کلید واژه- اتانول ، حسگر ، سولفید سرب ، سولفید روی
-1 مقدمه
اتانول به علت نقطه انجماد پایین آن در صنعت ضد یخ سازی استفاده میشود. در صنعت به عنوان ماده ی حلال و تولید ترکیبات آلی و همچنین در بعضی ماشین ها به عنوان پیل سوختی مورد استفاده قرار میگرد.[1]سنسور های اتانول در صنعت و کنترل شرایط محیطی بسیار کارایی دارند. برای انسان ها ممکن است استنشاق گاز اتانول باعث بروز سردرد ، اختلال تعادل ، حالت تهوع و سر گیجه شود . همچنین در صورت تماس با پوست باعث بروز حساسیت میشود . همچنین اتانول یک مایع قابل اشتعال می باشد که بخار آن مخلوط با هوا در حرارت معمولی قابل اشتعال است.[2]در میان حسگر های گاز، حسگر های نیمه هادی به علت هزینه ی ساخت پایین و سهولت در استفاده ی آن ها امروزه بسیار مورد توجه قرار گرفته ا ند. ماده ی ZnS که یک ماده ی نیمه رسانا از گروه II-IV و دارای پهنای باند عریض - - 3 6 eV میباشد. همچنین خواص این ماده اخیرا در آشکارسازی گاز مورد بررسی قرار گرفته است .[3]
مقالات متعددی در بارهی خاصیت حسگری این ماده وجود دارد که به گاز های مختلفی از قبیل هیدروژن، استون، اتانول و دیاکسید نیتروژن حساسیت نشان داده است .[4]-[9] که اغلبآنها در دمای بالا آشکارسازی میکنند که دمای بالا توان مصرفی را افزایش میدهد و معمولا به علت وجود گازهای اشتعال زا در محیط حسگر، استفاده از گرمکننده خطر انفجار را به دنبال خواهد داشت. محدوده پایین اشتعالزایی اتانول غلظت 3 7 آن در هوا است [10] و همچنین حداکثر میزان مجاز اتانول موجود در هوا برای تنفس 1000 ppm میباشد [11]، بنابرین لازم است ح سگرهای مورد استفاده برای کاربردهای ایمنی، آشکارسازی را در محدوده پایینتر انجام دهند.حسگر ساخته شده در این تحقیق با قابلیت آ شکار سازی در دمای اتاق و محدوده آ شکار سازی 500 تا 8000 ppm منا سب برای تعیین سلامت هوا میباشد.
-2 مراحل کار های آزمایشگاهی
-1-2 آماده سازی مواد
برای آماده سازی نانو کامپوزیت ZnS/PbS از یک واکنش ساده در دمای اتاق ا ستفاده شده. در این واکنش از نیترات روی - Zn - NO3 - 2 - و نیترات سرب - Pb - NO3 - 2 - به ترتیب عنوان منبع روی و سرب و از سولفید سدیم - Na2S - به عنوان منبع گوگرد در واکنش ا ستفاده شد. همچنین از - ME - 2-Mercaptoethanol به عنوان عامل جداکننده استفاده شد. برای انجام واکنش 50 میلی لیتر از محلول 0,01 مولار نیترات روی را با 50 میلی لیتراز محلول 0,01 مولار نیترات سرب را ترکیب کرده و با همزن مغناطیسی تحت هم زدن قرار داده ایم. 100 میلی لیتر از محلول 0,01 مولار ME را کم کم به محلول در حال هم خوردن اضافه میکنیم. پس از آن، 100 میلی لیتر محلول 0,01 مولار سولفید سدیم را قطره قطره طی چند ساعت به ظرف واکنش اضافه میکنیم. در تمام مراحل واکنش از گاز نیتروژن برای جلوگیری از واکنش با اکسیژن هوا استفاده شده است. در نهایت پس از چند مرحله سانتریفیوژ و ش ست شو نانوکامپوزیت خالص ZnS/PbS به دست آمده است.
-2-2ساخت حسگر
برای ساخت ح سگر از الکترود های شانهای از جنس طلا که بر روی شیشه با فاصله شانه های 5 میکرومتر ساخته شده ا ستفاده شده ا ست . برای ساخت ح سگر مقدار 4 میکرو لیتر از ماده ی ZnS/PbS با ا ستفاده از میکروپیپت بر روی الکترود شانه ای لایه نشانی شد .
-3-2بررسی خصوصیات مواد
در اولین قدم برای برر سی کیفیت شبکه کری ستالی و خلوص نانو ذرات، از آنالیز پراش اشعه ایکس استفاده شد. در شکل 1 نتیجه آنالیز پراش اشعه ایکس قابل مشاهده است که در آن پیک های شاخص PbS در 26، 30، 43 و 51 درجه که با علامت * و پ یک های ZnS در 28,5 و 47,3 در جه و با علا مت علا مت گذاری شده است.در شکل 2 تصویربرداری میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - برای تعیین شکل نانوذرات از سطح ح سگر نمایش داده شده است که نانوذرات تقریبا کروی سولفید سرب و نانوصفحات سولفید روی در آن مشخص هستند. همچنین برای بررسی بیشتر ساختار، تصویر میکروسکوپ الکترونی عبوری - TEM - در شکل 3 آورده شده است که ابعاد نانوذرات سولفید سرب را تقریبا 30 نانومتر تعیین میکند.
-4-2روش تست حسگر
برای بررسی مشخصه های حسگر از قبیل گزینش و حساسیت و زمان پاسخ نسبت به گاز هدف حسگر را درون محفظه ای گذاشته و حسگر از طریق یک مولتی متر برای اندازه گیری مقاومت حسگر به رایانه متصل شده تا خروجی به صورت دایم در رایانه ذخیره شود - شکل. - 4دمای محفظه ی ت ست 25 درجه ی سانتیگراد تنظیم شده است.محفظه قبل از شروع تست از هوای تمیز پر شده سپس ح سگر را روی محفظه قرار داده و اتانول به داخل محفظه تزریق می شود. که پا سخ ح سگر از رابطه ی 1 به دست می آید.که Rg مقاومت ح سگر در ح ضور اتانول و Ra مقاومت ح سگر در حضور هوای تمیز میباشد.
-5-2نتایج
پاسخ این حسگر برای ماده های مختلف در دمای اتاق 25 - درجه ی سانتی گراد - تست شد . در شکل 5 مقدار مشخصی از هر یک از گاز ها وارد محفظه ی حسگر شد و پاسخ حسگر بررسی شد. که بیشترین پاسخ مربوط به اتانول میباشد. لازم به ذکر است این تست ها در دمای 25 درجه گرفته شده و تکرارپذیری نتایج مورد بررسی قرار گرفته است.برای برر سی مکانیزم آ شکار سازی اتانول، با سنتز هر یک از نانوذرات ZnS و PbS به صورت جداگانه ح سا سیت آنها به بخار اتانول برر سی شد که در شکل 6 آورده شده ا ست. این آزمایش حساسیت کم سولفید روی به بخار اتانول و عدم پاسخگویی سولفید سرب به بخار اتانول را نشان میدهد. آزمایش جریان-ولتاژ برای تعیین رفتار الکتریکی حسگر نیز انجام شد که نتایج آن در نمودار شکل 7 برای ولتاژ های 0 تا 5 آورده شده است.شکل 8 نمودار پاسخ حسگر برای غلظتهای مختلف اتانول را نشان میدهد که با افزایش غلظت اتانول پاسخ حسگر افزایش پیدا میکند تا حدود 7000 ppm که بی شترین پاسخ به ح سگر را در این مقدار داریم و پس از آن پاسخ حسگر به علت اشباع شدن،کاهش پیدا میکند.
